液態(tài)硝酸銨液罐保溫絕熱效果數(shù)值模擬分析

王永彬 萬杰 楊方 傅允準(zhǔn)

1.蕪湖中集瑞江汽車有限公司 安徽蕪湖 241000

2.上海工程技術(shù)大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院 上海 201620

石油化工行業(yè)的各種液體或氣體的運(yùn)輸依賴于罐式運(yùn)輸車。液體或氣體需要在罐式運(yùn)輸車內(nèi)完好地保存，因此儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的合理性至關(guān)重要。它不僅影響著化工產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)陌踩?，也決定著化工產(chǎn)品運(yùn)輸過程中的熱損失情況。如果工業(yè)液體或者氣體在運(yùn)輸過程中有熱量損失，將導(dǎo)致產(chǎn)品性質(zhì)發(fā)生變化。這將嚴(yán)重地影響工業(yè)生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)安全性和經(jīng)濟(jì)性。

液罐的設(shè)計(jì)與優(yōu)化離不開對(duì)材料特性及保溫性能的研究。目前國內(nèi)外對(duì)運(yùn)輸液罐的研究內(nèi)容較少。薛文博［1］等提出一種利用相變蓄熱材料的保溫新方法，對(duì)臥式儲(chǔ)罐提供保溫，能夠有效地對(duì)儲(chǔ)罐的罐體進(jìn)行保溫。李丹丹[2]研究了液罐內(nèi)的流體溫度劃分區(qū)間，得知工質(zhì)之間存在著溫度分層現(xiàn)象，即劃分為氣相區(qū)溫度場、過冷液相區(qū)溫度場與飽和液相區(qū)溫度場，并有飽和液相區(qū)的溫度高于過冷液相區(qū)溫度，氣相區(qū)的溫度明顯高于液相區(qū)的溫度，沿垂直方向有明顯的溫度梯度結(jié)果。謝少華［3］等對(duì)比了加熱管不同結(jié)構(gòu)和布置下液罐加熱效率，并且通過有限元瞬態(tài)分析技術(shù),建立了將罐體中液體從臨界溫度加熱到卸載時(shí)溫度的時(shí)間歷程關(guān)系。祝玉松［4］提出了一種儲(chǔ)罐節(jié)能技術(shù)，即利用納米隔熱保溫涂料,選取高性能的保溫涂料涂置于液罐的灌頂,大大地降低了液罐內(nèi)液體的熱量損失。Sangeun Roh［ 5］等通過使用商用 CFD 代碼 FluENT 解決質(zhì)量、動(dòng)量和能量的保存方程，對(duì)加壓LNG 儲(chǔ)罐中的瞬態(tài)自然對(duì)流進(jìn)行數(shù)字調(diào)查。張毅［6］等分析了鍍鋅彩鋼壓型板的材料屬性，選其作為保溫層中間層結(jié)構(gòu)，提高了保溫整體性能。Zhan［ 7］等研究了低溫液氧（LOX）罐中的加壓性能和溫度分布。如今行業(yè)內(nèi)儲(chǔ)罐保溫結(jié)構(gòu)中還存在一些問題，主要是設(shè)計(jì)中的熱橋數(shù)處存在熱損失［8］，且保溫結(jié)構(gòu)不夠完善，保溫材料的選用不夠優(yōu)質(zhì)，因此對(duì)液罐保溫設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)很有必要。

1 項(xiàng)目概況

硝酸銨液罐罐體容積為25 m3，外表面面積為153 m2。硝酸銨液罐目前的不足之處在于：液罐的保溫材料較差，罐體結(jié)構(gòu)上有很多熱橋存在導(dǎo)致漏熱的問題，因此硝酸銨液罐的保溫效果達(dá)不到要求。理想的硝酸銨液罐保溫要求為：在冬季外界溫度為-20℃～-15，當(dāng)運(yùn)輸液態(tài)硝酸銨的裝料溫度為125℃時(shí)，經(jīng)運(yùn)輸48 h后，溫降不超過10℃。

模型部分分為罐體和底部熱橋兩部分，其中底部熱橋部分共有6個(gè)，包括5個(gè)支座和1個(gè)牽引，其中支座2和支座3一致。液罐模型如圖1所示。

圖1 液罐模型示意圖

2 保溫方案

為減少液罐的熱損失，現(xiàn)對(duì)罐體外側(cè)包裹厚150 mm玻璃棉作為保溫層。由于目前罐體熱橋部分無保溫，即頂部溢流箱、底部支座和牽引均無保溫，這會(huì)帶來相當(dāng)部分的熱損失。因此，對(duì)所有支座和牽引固定帶的外側(cè)包裹20 mm厚的氣凝膠，以作更好的絕熱防護(hù)來降低熱損失。

2.1 罐體保溫方案

現(xiàn)對(duì)罐體進(jìn)行外側(cè)包裹厚150 mm玻璃棉作為保溫層，模型如圖2所示。

圖2 罐體保溫整體示意圖

2.2 熱橋部位保溫方案

現(xiàn)有罐體熱橋部分無保溫，即頂部溢流箱、底部支座和牽引均無保溫，這會(huì)帶有相當(dāng)部分的熱損失。因此所有支座和牽引固定帶的外側(cè)包裹20 mm厚的氣凝膠。圖3～圖6所示的黃色部分為玻璃棉，紫色部分為氣凝膠。

圖3 支座保溫整體示意圖

圖4 支座氣凝膠保溫示意圖

圖5 牽引銷支座整體保溫示意圖

圖6 牽引銷支座氣凝膠保溫示意圖

3 模擬邊界條件

3.1 罐體邊界條件

根據(jù)液態(tài)硝酸銨的特性，罐體內(nèi)表面溫度設(shè)為130℃。為模擬極端冷空氣條件下的液罐車散熱量，外界空氣溫度設(shè)為-2 0℃。罐體外表面對(duì)流換熱系數(shù)為3 4 W/(m2·k)；罐體熱橋部分相關(guān)外邊界設(shè)為絕熱壁面。罐體及熱橋部分材質(zhì)設(shè)為不銹鋼，玻璃棉密度為45 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.058 W/(m2·k)，氣凝膠密度為187 kg/m3，氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)為0.018 W/(m2·k)。

3.2 支座邊界條件

罐體內(nèi)部設(shè)置溫度恒為130℃，側(cè)面設(shè)為絕熱面。保溫層最外面以及漏在外面的支座部分面對(duì)流換熱系數(shù)為34 W/(m2·k），周圍環(huán)境溫度為 -20℃。罐體及熱橋部分材質(zhì)設(shè)為不銹鋼，玻璃棉密度為48 kg/m3；氣凝膠密度為187 kg/m3，氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)為0.018 W/（m2·k）。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 罐體溫度分布

圖7（a）中1點(diǎn)為罐體內(nèi)部邊緣點(diǎn)，2點(diǎn)為保溫結(jié)構(gòu)最外層邊緣點(diǎn)，給出了罐體保溫層為150 mm厚的玻璃棉的路徑溫度分布。從圖7（b）可以看出，罐體內(nèi)部溫度最高，外側(cè)溫度最低，接近環(huán)境溫度，說明保溫效果較好，罐體和溢流箱的漏熱量2 532.13 W。

圖7 罐體保溫結(jié)構(gòu)溫度變化情況

4.2 支座熱橋溫度分布

圖8（a）中M點(diǎn)為牽引保溫結(jié)構(gòu)里側(cè)點(diǎn)，N點(diǎn)為牽引保溫結(jié)構(gòu)下方最外層點(diǎn),給出了牽引保溫結(jié)構(gòu)的路徑溫度分布。圖8（b）可以看出，牽引銷支座處溫度由內(nèi)向外逐漸減小，支座與罐體接觸處溫度高，底部外露部分與環(huán)境接觸，故而溫度低，牽引銷支座的漏熱量為825.72 W。

圖8 牽引銷支座溫度場分布

圖9（a）中A點(diǎn)為位于罐體內(nèi)部的里側(cè)點(diǎn)，B點(diǎn)為支座保溫結(jié)構(gòu)下方最外層點(diǎn)，給出了支座保溫結(jié)構(gòu)的路徑溫度分布。圖9（b）可以看出，罐體外側(cè)在玻璃棉作用下溫度變化很小，而玻璃棉外側(cè)支架上方由于存在間隙導(dǎo)致溫度變化很大。在支座被20 mm氣凝膠包裹部分溫度梯度很大，可見氣凝膠能減緩支座熱量散失。

圖9 支座溫度分布

4.3 總熱損失計(jì)算

經(jīng)CFD軟件計(jì)算，該硝酸銨液罐罐體各部位的漏熱量如表1所示。

表1 液罐保溫漏熱量匯總

5 結(jié)語

本文提出了在液罐外側(cè)包裹厚150 mm玻璃棉作為保溫層，所有支座和牽引固定帶外側(cè)包裹20 mm厚的氣凝膠的保溫方案。利用三維數(shù)值模擬分別研究了液罐罐體及外側(cè)的溫度分布，并計(jì)算了保溫結(jié)構(gòu)改善后的熱損失量及各部位熱損失比。

處理后的罐體保溫效果良好，保溫效果較之前有較大改善，具體效果如下：

a.采用對(duì)罐體進(jìn)行外側(cè)包裹厚150 mm玻璃棉作為保溫層與所有支座和牽引固定帶外側(cè)包裹20 mm厚的氣凝膠的方案，大大減少了熱損失。

b.罐體和溢流箱總體漏熱量2 532.13 W，占液罐總體漏熱比為67.18%，牽引漏熱量為825.72 W，占液罐總體漏熱比為21.91%，支座漏熱量為411.58W，占液罐總體漏熱比為10.93%。

c.現(xiàn)方案液罐總體漏熱量為3 769.43 W，48 h溫降9.75 ℃，而保溫結(jié)構(gòu)未優(yōu)化前液罐整體總漏熱量為6 579.35 W，經(jīng)過現(xiàn)方案優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減少了2 809.92 W漏熱量。此保溫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案能有效地減少熱橋處熱損失。